改善睡眠質量的智能家居系統的開發

鮑建科

松下家電研究開發（杭州）有限公司 浙江杭州 310018

1 引言

春眠不覺曉，處處聞啼鳥。春天的夜晚人們能夠一覺睡到天亮，是因為春天涼爽適宜的溫濕度、婆娑的月影和沁人心脾的花香促進了人體的睡眠，在一晚的充足睡眠后伴隨著悅耳的蟲鳴鳥啼開始美好的一天，這樣高質量的睡眠使我們感到身心愉悅、精神飽滿。身體是革命的本錢，睡眠則是身體的本錢。除了生理意義的重要性之外，更重要的意義是使我們在高質量的睡眠中能緩解白天因為壓力而積累的浮躁和不安情緒。然而，目前中國居民睡眠健康狀況令人擔憂，中國成年人失眠的發生率已達到38.2%，其中老年人的失眠發生率高達60%。由于人口基數龐大，中國失眠人數已占全球第一。上海、北京、杭州、深圳、廣州躋身五大失眠城市之最。2001年，國際精神衛生和神經科學基金會發起了一項全球睡眠和健康計劃，將每年的3月21日定為“世界睡眠日”(World Sleep Day)，其目的就是要喚起全民對睡眠重要性的認識和對睡眠質量的重視。2003年，中國睡眠研究會將世界睡眠日正式引入中國，睡眠與健康的關系也日益引起了中國人的重視。

睡眠健康產業具有巨大需求潛力，從最初的可穿戴設備（如智能手環和智能手表）助力睡眠監測，到今天健康睡眠產業的生態系統創建，如何將產品和技術與不同的應用場景相結合，開發出可以改善睡眠質量提高生活品質的應用，才能使消費者自然的接受和購買這樣的產品。同時，失眠可以通過物理的方法治療已經得到人們的普遍認識，如果未來睡眠產業出現了全新的增長點，那就很有可能產生于睡眠相關的智能產品領域。

2 睡眠質量和健康的關系

身體和大腦在睡覺時得到休息和復原。科學家使用所謂的腦電圖儀（EEG）的設備記錄睡眠期間的大腦活動，來觀測睡覺的時候身體里發生了什么。腦電圖儀發現了兩種基本的睡眠模式：REM睡眠（快速眼動睡眠），以及NREM睡眠（非快速眼動睡眠）。這兩種類型的睡眠模式對于健康至關重要，并且對身體有不同影響。身體在REM和NREM這兩個主要睡眠周期之間交替。通常在剛入睡時，進入NREM睡眠，持續大約90～110分鐘。接下來的是REM睡眠，持續時間在5～15分鐘。一般來說，REM睡眠時，身體雖然休息，但是大腦還在活動。在這期間，肌肉的緊張感消失，身體處于類似癱瘓的完全放松狀態，身體機能得到休息；大腦卻在這時異常的活躍，將自行學習類似自行車騎行方式等運動的記憶。但是，因為這時身體的暫時性“癱瘓”狀態可以讓我們以最自然的方式來確保我們不會將夢中行為付諸行動。NREM睡眠是大腦也處于休息的放松狀態的睡眠，在這期間，分泌成長激素，促進身體的成長和修復，恢復疲勞；將白天從書本和教科書中得到的知識實現記憶、整理和鞏固，同時消除不必要的記憶，減輕精神壓力。

在夜間睡眠時，身體會在REM和NREM之間循環，但大多數時間處于NREM睡眠。在睡眠的最初階段，NREM睡眠的時間持續長，深度睡眠集中，大腦得到好的休息，因此在剛開始入睡的3個小時十分重要，在這段時期深度睡眠占了約90%左右。越往后，REM睡眠時間持續越長，也就更容易做夢。請參考圖1。

因此，睡眠有消除身心疲憊的作用，睡眠不足和睡眠質量的惡化將導致“生活習慣病”和“類似抑郁癥一樣的心理疾病”的風險。睡眠不足會降低注意力和工作效率，降低生產率，增加人為因素造成錯誤和事故的發生。而且，當睡眠不足長期持續的話，疲勞恢復會變得很困難。為了防止睡眠不足的疲勞的積累，高質量的睡眠是必須的。所謂高質量的睡眠，本文將其定義為快速的入眠、中途不會無緣無故醒來、起床時沒有身體的疲憊感。

3 影響睡眠質量的環境因素

創造優質睡眠有三大必要的因素：一是有規律的生活節奏，保持健康無壓力的身體狀態；二是舒適的適合自己的寢具，好的床上用品對于高質量的睡眠也很重要；三是舒適的睡眠環境，具體的說就是臥室的溫度、濕度、聲音、光線、顏色、香氣等環境。本文研究的對象是第三點因素——舒適的睡眠環境。

3.1 溫度對睡眠質量的影響

優質的睡眠與體溫，尤其是腦部、內臟、身體中心的“深部體溫”息息相關。在一天中，深部體溫會在白天升高，夜晚降低，以這個節奏每日重復，如圖2所示。想要獲得優質的睡眠，就必須掌握好這個節奏，夜晚降低深部體溫是關鍵，相反，由于溫度和濕度過高，深部體溫無法有效地下降，則深睡眠就會減少，中途覺醒就會增加。睡眠與體溫的關系已經被越來越多的科學家證實。容易入眠的溫度和濕度，夏季為溫度25～28℃、濕度70%以下；冬季為溫度16～20℃、濕度50%以上，老人、孩子、成年人等不同人群間略有區別。

3.2 光照對睡眠質量的影響

圖1 NREM睡眠和REM睡眠循環交替

圖2 深部體溫一天周期的節奏

圖3 “褪黑色素”一天分泌的節奏

圖4 基于空調、照明和音響的睡眠質量改善系統

圖5 適合深部體溫的室溫控制

圖6 通過睡眠狀態和室溫判斷睡眠困難，自動調整室溫

人體的體溫、心跳、激素分泌是24小時周期變化的，這稱為身體的晝夜節奏，人的這種日出而作、日落而息的生活方式如果不進行管理的話，這個周期變化時間就會變長，進而容易導致夜型的生活方式。例如，早上如果在昏暗的臥室里度過的時間長的話，體內生物鐘無法調整，夜晚的睡眠準備時間就變長了，這就助長了睡懶覺的傾向。因此可以通過照明調節生活節奏，早上起床的時候，慢慢地使房間變得明亮，明亮的光線刺激交感神經，大腦被激活并且晝夜節奏被重置，然后在15～16小時后出現嗜睡，進入容易入睡的身體狀態，促進健康節奏的復位。晚上用暗的暖色系的照明，可以促進“褪黑色素”的分泌，使身體變得容易入睡。被稱為睡眠激素的“褪黑色素”分泌，能夠促進體溫下降，走向自然的睡眠，關于“褪黑色素”分泌的節奏請參考圖3。相反，睡前如果長時間待在明亮的白色燈光下，則會抑制黑色素的分泌，變得難以入睡。

3.3 聲音對睡眠質量的影響

音樂可以幫助我們改善睡眠，音樂對人體生理功能有顯著的影響，音樂的節奏、模式和旋律可影響聽者的心率、呼吸和血壓。也就是說，當音樂作為一種外部刺激進入聽覺器官，經傳入的神經中樞，大腦皮層，皮層下中樞和植物神經系統都會參與作出各種反射活動。隨著音樂的節奏、旋律、音量的不斷變化，人體的呼吸、循環、內分泌和神經肌肉都會隨之發生變化。

正是由于音樂具有調節身心的作用，才能用做改善睡眠的重要手段之一。目前，國內外的醫學工作者利用音樂療法治療失眠已取得了明顯效果。臨床實踐證明，神經衰弱和失眠者聽一些舒緩輕柔的民樂和輕音樂，可起到調節心率和呼吸，緩解精神緊張的作用，使人達到心平氣和、情緒平穩的狀態，從而改善睡眠質量。當我們在起床前能夠聽到歡快的音樂時，則能夠使我們做好起床的準備，迎接美好的一天。

4 基于智能家居的睡眠改善服務系統的開發

移動物聯網在家電領域的發展，最終是為人們提供健康舒適的生活而服務的。通過空調、空氣凈化器、照明和音響等設備的連攜，發揮家電在改善睡眠因素（溫度、濕度、光、聲音等）中的作用，實現舒適睡眠環境。支持本系統的構成中包括了云服務器、手機APP和空調、空氣凈化器、照明和音響等，如圖4所示。

云服務器在整個系統中起到決策的作用，云服務器接收來自手機、手環或者床墊中睡眠監測傳感器的實時睡眠監測數據以及各家電當前設定的溫度、照明亮度、音樂音量等的數據作為決策的依據。根據用戶在就寢前、就寢中或者起床前三個階段中當前的睡眠狀態決定開啟或關閉空調，調整空調的溫度、風向；決定開啟或關閉空氣凈化器的睡眠模式；決定開啟或關閉照明，調整照明的明暗度；決定開啟或關閉音響，調整音響的音量。手機APP在整個系統中起到顯示、操作、設定的作用，部分擁有睡眠傳感器的智能手機，同時也起到實時監測并上傳睡眠數據的作用，若手機沒有睡眠傳感器，也可以佩戴有睡眠傳感器的智能手環或智能床墊。就寢前，只要通過APP開啟“舒適睡眠”模式，就開啟了整個系統的運行，就寢結束還能通過APP回顧自己的睡眠狀況。空調、空氣凈化器、照明和音響等家居搭載了Wi-Fi模塊，能夠和云服務器實現通信，根據云服務的指令執行軟件設定的機能，并上傳當前狀態給服務器，是整個系統機能實現的執行者。

4.1 空調在系統中的設置方式

根據深部體溫與睡眠的關系，夏季中，本系統在就寢前將空調溫度降低到25℃，同時打開空氣凈化器，將濕度設置為70%，使用戶容易在涼爽的環境中快速入眠；入眠之后，稍微提高溫度防止過度寒冷；起床前，設定溫度上升，開始起床前的準備，使身體暖和開始興奮。此過程的溫度控制請參考圖5。在就寢過程中，若睡眠傳感器監測到用戶輾轉反側難以入眠，則調整空調溫度下降，幫助用戶再次入眠，此過程的溫度控制請參考圖6。

4.2 照明在系統中的設置方式

照明過程的控制原理是模仿日出日落的變光、變色過程，來幫助人們在應該睡覺的時間產生睡意。進入臥室后，開始時發出讓我們保持清醒的波長的藍光，這一系統中照明由開啟到最亮為2分鐘；之后由用戶自由設定最亮時間；然后就寢前照明進入20分鐘的逐漸熄滅狀態，因為20分鐘是讓人入睡的標準時間。在這一過程中、藍光逐漸減退而轉變為更“暖調”的黃光，眼睛受到這個過程的暗示，被抑制的松果體釋放分泌褪黑素，感覺到乏困、告訴我們的身體準備睡覺。起床前照明的控制過程則設置成與就寢前相反。就寢前的照明亮滅曲線如圖7所示。

此系統還能檢測到用戶睡眠中途的起夜，安裝在床尾的起夜燈自動點亮60秒后自動熄滅，足夠穿衣和離開臥室，離開衛生間進入臥室時夜燈自動點亮60秒后自動熄滅，足夠脫衣上床蓋好被子。

4.3 音響在系統中的設置方式

由于人們通常會在躺下后的5分鐘到半小時內入眠，因此我們將音響設置為30分鐘內音量逐漸降低，最后淡出。這樣我們既能在音樂的陪伴中入睡，又不至于讓自己在睡眠中受到干擾。同時，建議選擇較為舒緩和熟悉的純音樂，因為如果音樂伴有歌詞且聲調跌宕起伏，你可能會因此醒過來，且隨著時間，音樂越來越柔和。而在起床前，設置音樂淡入，可以選擇一些自己喜愛的歡快的音樂，使人保持心情舒暢，準備愉快的起床。開發時選擇使用的音樂需要特別注意著作權等法律問題。

圖7 就寢前的照明亮滅曲線

當前，市場上的智能音響層出不窮，都具備良好的音響效果和互聯網功能，比如“天x精靈”、“小x同學”、“叮x音響”等等，開發時，可以選擇與這些智能音響廠商連攜，利用智能音響的語音控制作為開啟進入睡眠模式的方法，而擺脫對手機APP的依賴。

4.4 睡眠改善效果的檢證

關于睡眠改善效果的檢證，因為家電廠商實驗室一般沒有實施睡眠檢證的條件，需要尋找專門的醫院和大學委托檢證。根據睡眠狀況對溫度、濕度、照明和音樂的控制，確認對于睡眠質量的改善效果。在睡眠前和睡眠中可以通過EEG測定腦電波，根據進入睡眠所需時間和深度睡眠的時間長度判斷睡眠質量的好壞，起床后則可通過實驗人員的主觀感受進行評價。

5 結語

傳統的家居產品制造企業在智能制造2025的改革過程中，堅持創新要從用戶實際需求出發。本系統利用睡眠監測傳感器收集到的用戶睡眠監測數據，應用到智能家居系統中，切入到睡眠服務產業中，建立以智能家居為基礎的改善睡眠質量的服務平臺。在這樣的產業框架下，產品與服務將是無法分割的，傳統制造企業可以在這之中尋找突破傳統家居產品銷售模式盈利困境的方法，尋找全新的盈利機會。宏觀上整合行業資源實現智能化轉型、符合產業進化的趨勢，微觀上提高了產品的附加價值，提高了企業的核心競爭力。